作者:王佳雯 来源:科学网 www.sciencenet.cn 发布时间:2017/6/15 11:39:11
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硬X射线调制望远镜卫星:慧眼洞穿高能天体奥秘

 

6月15日11时,具有洞穿宇宙奥秘能力的“慧眼”——硬X射线调制望远镜卫星,在长征四号乙运载火箭的托举下,在酒泉成功发射升空。

作为我国首颗空间X射线天文卫星,被命名为“慧眼”的硬X射线调制望远镜(简称HXMT)卫星,填补了我国空间X射线天文卫星研制的空白。自此,我国天文观测实现了由地面观测到天地联合观测的跨越。

“重装”出击 造就我国首个空间天文台

“慧眼”卫星由服务舱、载荷舱、太阳翼等构成的。其装载着高能、中能、低能X射线望远镜和空间环境监测器等4个探测有效载荷,包含25个探测器单机,搭载载荷重量约有一吨,占卫星总重的将近一半。

如此强大的装备,能将1keV~250keV能量范围的X射线(基本覆盖整个X射线谱段)悉数收入眼底。“慧眼”卫星成为科学家凝视浩渺宇宙中黑洞、中子星释放X射线的独特眼眸。而它能做的还不止这些。

“我们还给探测器增加了一个能力,将本来用于屏蔽背景信号的探测器能区扩展到了3Mev,因而卫星的实际有效范围为从1keV到3MeV。”“慧眼”卫星首席科学家张双南介绍称,这意味着“慧眼”具备了伽马射线暴的观测能力,也成为国际上能量覆盖范围最广的天文望远镜之一。

由于不同天体有不同活动性,科学家对天体研究的阶段也各不相同。“它的主要工作模式包括巡天观测、定点观测和小天区扫描模式,可实现宽波段、大视场、大有效面积的空间观测。”国防科工局系统工程司副司长赵坚说。

正因为“慧眼” 覆盖的能段范围很广、工作模式多样,所以张双南将它称为我国真正意义上第一个空间天文望远镜、第一个空间天文台。

激烈竞争中 “慧眼”凸显独到特色

“人类知道的第一个黑洞,就是通过X射线天文望远镜发现的。”张双南告诉记者,几乎所有天体都产生X射线,而且有些天体的活动只产生X射线或以产生X射线为主。因而,国际科学界在这一领域的竞争非常激烈。

目前已大约有7台能够开展X射线观测的空间设备在运行,包括美国航天局的核分光望远镜阵、欧洲空间局的XMM牛顿望远镜(XMM-Newton)等。

在该领域,很多国家仍在加速布局。当“慧眼”运行时,包括我国天宫二号上搭载的伽马射线暴探测器“天极”望远镜(POLAR)“小蜜蜂”在内,天空中将约有10台左右的相关设备。

“空间科学的研究从来不会重复放望远镜,功能相近的望远镜几乎都没有发射过。”张双南告诉记者。

以“慧眼”和“小蜜蜂”为例,两者都具备伽马射线暴的观测能力,却在观测能段、功能方面有很大的不同。张双南解释称,慧眼”每年能够观测到的伽马射线暴数量比“小蜜蜂”至少要多一倍,同时, “慧眼”旨在测伽马射线暴能谱,而“小蜜蜂”则是测伽马射线暴的偏振。

因而,他告诉记者,发射一台新的天文望远镜,它一定有某些过人之处。

谈到“慧眼”卫星的特色,该卫星工程总师马世俊强调,“其中值得一提的是,卫星在200 keV到3 MeV的全天监测能力。”据他介绍,在200 keV—3 MeV能区,“慧眼”监测伽马射线暴的有效观测面积,比以往的设备提高了十倍左右。

“慧眼”将成为这一能段天空中最灵敏的伽马射线暴探测器和引力波电磁对应体监测器,这也使得它在搜寻引力波电磁对应体方面表现出了强劲的国际竞争力。

天地联合观测 进入天文学主战场

专家告诉记者,高能天体周围的引力场很强,强到科学家无法在地球实验室内实现,而科学研究要理解科学规律却离不开实验。

通过观测黑洞、中子星等天体附近物质变化产生的X射线,便可以对如广义相对论的预言、强磁场环境中的科学规律等进行检验。可以说,空间科学就是科学家以天体为实验室研究科学规律的一门学科。

这一学科又以新的天文发现为驱动,对仪器有很强的依赖性。而由于X射线无法穿透稠密的地球大气,地面望远镜无法实现有效观测,发射X射线天文卫星便成为观测天体X射线辐射的主流手段。这也是“慧眼”升空的原因所在。

“它的观测目标范围非常广,可以和地面可见光望远镜、射电望远镜联合起来,实现国内第一次天地一体化的天文观测,这也是我国天文观测能力的跨越式发展。”张双南说。

这颗卫星的发射升空后,为我国在国际竞争最激烈的领域占据了一席之地。但张双南强调,我们只是进入了这一天文学竞争的主战场而已,仍然只处在起步阶段。

依托航天优势 空间科学未来可期

航天技术的发展,使我国已具备了较强的运载能力、卫星研制能力,为空间科学的进步奠定了坚实的基础。

以“慧眼”为例,卫星系统总指挥潘腾告诉记者,不同能段的探测器工作温度不同,如高能探测器工作温度要求为20°左右,而低能探测器工作温度要求为零下七八十度。

除了温度控制之外,“慧眼”的指向也与以往对地通讯卫星不同,“这颗卫星要求可能对天上的任何一个方向,”潘腾说,一方面要求精确,同时还要机动,这对卫星研制提出了很高的要求。

航天技术的发展在空间科学高灵敏度、高指向精度、精确控温等要求下不断进步,空间科学也在航天技术的支持下将科学思想转化为现实产品。两者的有机互动,令未来我国在空间科学的发展值得期待。

据硬X射线调制卫星系统载荷分系统专家宋黎明介绍,中科院高能所2007年即提出X射线时变与偏振探测卫星(简称XTP)项目,作为HXMT的后续任务,以实现从具有特色的小型空间天文台到国际领先的大型空间天文台的战略突破。

宋黎明表示,XTP在背景型号研究中,吸引了来自欧洲科研团队的集体加入,形成了增强型XTP项目概念——eXTP。

“由于综合了大面积X射线聚焦望远镜阵列、大面积准直型望远镜阵列、高灵敏度X射线偏振望远镜的综合能力,在黑洞、中子星以及若干基础物理学理论的研究等方面,eXTP相比于之前的卫星,综合性能将有一个数量级的提高。”宋黎明说。而这无疑会让中国空间科学的发展更加令人期待。

 

 
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